比色傳感陣列在氣味表征中的應用

洪麗 許明春 姚其海 李麗鳳 朱振宇 張良

作者簡介：洪麗（1978—），女，工程師，博士學位，研究方向為汽車空氣質量設計及健康座艙開發。

參考文獻引用格式：

洪麗， 許明春， 姚其海， 等. 比色傳感陣列在氣味表征中的應用[J]. 汽車工藝與材料， 2024（5）： 68-72.

HONG L， XU M C， YAO Q H， et al. Application of Colorimetric Sensor Array in Odor Characterization[J]. Automobile Technology & Material， 2024（5）： 68-72.

摘要：汽車內飾材料種類繁多、成分復雜，單車型氣味物質多達上百種，極易造成車內異味污染，為提高車內空氣質量，參考國內外現有的比色技術應用研究，提出了基于比色傳感陣列技術的車內氣味檢測方法，并對整車中應用較多的內飾材料進行比色分析，準確識別了內飾材料樣品的氣味強度、氣味類型和氣味愉悅度。首次將比色傳感陣列應用于車內氣味客觀表征中，可為汽車氣味管控提供數據支持。

關鍵詞：比色傳感陣列 車內空氣質量 氣味表征

中圖分類號：U465? ?文獻標志碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230357

Application of Colorimetric Sensor Array in Odor Characterization

Hong Li1， Xu Mingchun1， Yao Qihai1， Li Lifeng1， Zhu Zhenyu2， Zhang Liang2

（1.Anhui Jianghuai Automobile Group Co.， Ltd.， Hefei 230000; 2. China Automobile Data Company Limited， Tianjin 300000）

Abstract： Due to the variety of automotive interior materials， complex composition， and up to hundreds of kinds of odor substances inside each car， odor pollution easily occurs inside the car. In order to improve interior air quality， this study referred to the existing domestic and foreign research on the application of colorimetric technology， proposed an interior odor detection method based on colorimetric sensor array technology， and made colorimetric analysis on the interior materials widely used in the vehicle， accurately identified the odor intensity， odor type and odor pleasure of interior materials samples. In this study， colorimetric sensor array was applied for the first time in the objective characterization of vehicle odor， which can provide data support for odor control in the automobile industry.

Key words： Colorimetric sensor array， In-car air quality， Odor characterization

1 前言

隨著我國汽車產業的飛速發展和消費升級，車內空氣質量成為衡量汽車座艙品質的重要指標，汽車座艙作為消費者的重要活動空間，對用戶的身心健康有直接影響[1]。汽車內飾材料種類繁多、成分復雜，是車內異味污染的主要來源[2]。近年來，我國消費者對車內氣味的投訴量維持在較高水平，對相關汽車品牌造成了一定的負面影響。

車內氣味來源的主要內飾材料包括發泡、塑料、皮革、橡膠和輔料等，尤其在夏季暴曬的高溫環境中會散發出更多的揮發性有機物，加重車內異味[3]。目前，汽車行業對車內氣味性能的表征方法以專業氣味評價員的主觀評價為主，易受評價員個人狀態影響，且無法滿足大量氣味檢測和管控工作的要求[4]。本文以比色傳感陣列技術為基礎，開發了比色傳感陣列電子鼻及配套設備，通過表征材料樣品揮發出的氣體與比色試紙相接觸發生化學反應后產生的顏色變化，實現對氣味的客觀評價。

2 比色傳感陣列在氣味表征中的應用基礎

2.1 電子鼻工作流程

近年來，氣味客觀表征技術快速發展，電子鼻等人工嗅覺系統相繼問世，并出現了成熟的商業化產品，在醫藥、食品、環境等領域已得到應用。電子鼻的工作流程主要包括氣敏傳感器陣列信號采集、信號預處理和模式識別組成，如圖1所示，傳感器將氣味的化學信號轉換為電信號，多個傳感器對一種氣味的響應可以構成傳感器陣列對該氣味的響應譜[5]。為實現對氣味的定性或定量分析，必須將傳感器的信號進行適當的預處理后采用合適的模式識別分析方法對其進行處理。電子鼻靈敏度高、可靠性強、可重復，有望在汽車行業得到廣泛應用。

2.2 比色傳感陣列檢測原理

比色傳感陣列技術利用金屬卟啉絡合物等物質含有的金屬離子和氣味分子之間的鍵合作用來識別氣味分子，特定物質與氣味分子接觸后會吸收光譜，特性發生改變，呈現出顏色變化。這些物質與不同的氣味分子結合后引起的顏色變化不同（圖2），故可以表征單個氣味分子的氣味特征信息[6]。因此，通過選取不同的特定物質組成比色傳感陣列，可用于檢測復雜的揮發性氣體混合物。

2.3 比色傳感陣列檢測特性

本研究基于上述原理設計并制備出35陣列比色傳感試紙（圖3），配合比色傳感陣列電子鼻可實現對車內空氣中常見的烷、烯、醇、醛、酮、酸、醚、酯、胺、芳類化合物（單一組分或混合物）×10-9濃度級別的檢測。圖4是某氣體樣品與比色傳感陣列試紙反應前、后對比結果，氣體中的物質組分與試紙反應，使得不同陣列點位呈現不同的顏色變化。

3 比色傳感陣列氣味檢測

3.1 試驗方法

參考汽車行業內飾材料氣味評價相關標準VDA 270 Determination of the odour characteristics of trim materials in motor vehicles[7]，制備3份平行的材料樣品氣體，利用35陣列比色傳感試紙及比色傳感陣列電子鼻對樣品進行比色分析，基于比色傳感陣列電子鼻內置的氣味識別模型獲得包含氣味強度、氣味類型及氣味愉悅度在內的氣味客觀表征結果。

3.2 氣味識別模型

比色傳感陣列電子鼻內置了K最近鄰（K-Nearest Neighbor，KNN）、支持向量機（Support? ? Vector Machine，SVM）、隨機森林、線性回歸、多項式回歸和邏輯回歸6種機器學習算法作為氣味識別模型。以模型拒識率、誤識率、交叉驗證識別率等作為評價指標篩選適用于各氣味性能指標（氣味強度、氣味類型、氣味愉悅度）的氣味識別算法，確定最優的模型參數[8]。

3.3 試驗步驟

取4種聚丙烯（Polypropylene，PP）發泡材料作為試驗樣品，形貌如圖5所示，試驗步驟如下：

a. 將4種PP發泡樣品裁剪成面積為25 cm2、厚度為1 cm的樣品，每種樣品分別制備3個平行樣；

b. 將裁剪完成的樣品放入容量為250 mL的棕色玻璃集氣瓶中，如圖6所示，比色傳感試紙用磁扣固定在集氣瓶瓶蓋內部；

c. 將裝有樣品的集氣瓶放入金屬浴加熱裝置中80 ℃恒溫加熱2 h，如圖7所示，保證樣品揮發出的氣體與比色傳感試紙充分反應；

d. 取出反應后比色傳感試紙放入特制的試紙固定裝置中，利用比色傳感陣列電子鼻“單點拍照選圖檢測”模式進行比色分析，如圖8所示；

e. 由氣味評價團隊成員對上述樣品的氣味強度、氣味類型及氣味愉悅度進行主觀評價；

f. 重復步驟a～e，獲取多組樣品的檢測數據，建立PP發泡樣品的氣味識別模型；

g. 將待測樣品重復步驟a～d后，基于氣味識別模型計算得到該樣品氣味強度、氣味類型和氣味愉悅度的客觀表征數據。

3.4 結果分析

表1為4種發泡與其平行樣的比色反應強度數據，分析數據可得：發泡1#的比色反應強度為275±12，發泡2#的比色反應強度為137±10，發泡3#的比色反應強度為361±20，發泡4#的比色反應強度為383±10，不同PP發泡的比色反應強度相差較大。

圖9是比色傳感陣列分析得到的PP發泡樣品比色反應強度雷達圖，可以看出：4種PP發泡樣品的各陣列點位比色反應強度雷達圖分布形狀各不相同，發泡1#響應最強點位為34，發泡2#響應最強點位為28，發泡3#響應最強點位為3，發泡4#響應最強點位為31，說明不同PP發泡揮發產生的氣體組成成分差異很大。

表2～表4為4種PP發泡樣品的氣味性能指標客觀表征結果，分析如下：

a. 由表2可知，發泡2#的氣味強度等級客觀表征結果為2.1級，與氣味主觀強度等級偏差0.1級，其余樣品的氣味強度等級全部被準確識別；

b. 由表3可知，所有樣品的氣味類型全部被準確識別；

c. 由表4可知，所有樣品的氣味愉悅度等級全部被準確識別。

3.5 其他車用內飾材料測試

使用比色傳感陣列先后對塑料、皮革、橡膠、粘合劑等26種內飾材料樣品進行比色檢測。氣味強度主客觀檢測結果對比如圖10所示，氣味愉悅度的主客觀檢測結果對比如圖11所示。由結果分析可知：所有樣品的氣味強度等級主客觀檢測結果偏差為±0.3級；有24種材料的氣味類型被準確識別，準確度為92.3%；所有樣品的氣味愉悅度等級偏差為±1級。表明比色傳感陣列對材料樣品氣味水平預測準確，測試方法可靠，可在汽車行業內飾材料氣味管控方面得到進一步應用。

4 結束語

本文利用比色傳感陣列技術，對發泡、塑料、皮革、橡膠、粘合劑等常用的車用內飾材料進行氣味比色分析，得到氣味強度等級、氣味類型、氣味愉悅度的客觀檢測數據，與主觀評價結果差異極小，表明比色傳感陣列在汽車行業氣味客觀表征中應用效果良好。比色技術應用于汽車行業的車內氣味檢測中，克服了傳統主觀氣味評價方法易受外界影響，人力成本高的缺點，在節約成本的同時，可提高氣味評價的準確性和科學性。本文以較低成本完成數十種主要氣體的特異性濃度檢測，從而獲得可大規模行業應用的客觀化氣味強度、類型、愉悅度多維表征技術，還可將氣味等級、氣味類型、氣味愉悅度的評價結果由孤立的單點數值變為較全面的概率分布。

參考文獻：

[1] 薛振榮， 楊靜娜， 王曉虎， 等. 車內空氣質量開發與管控方式的研究[J]. 汽車科技， 2017（3）： 56-59.

[2] 賈丙林， 周龍， 劉盛德， 等. 淺談汽車內空氣氣味檢測標準和技術研究新進展[J]. 汽車實用技術， 2017（21）： 24-28.

[3] 雷春梅， 歐遠輝， 蔡淑瓊. 汽車內飾零部件及材料VOC檢測過程質量控制[J]. 現代測量與實驗室管理， 2016， 24（5）： 19-21.

[4] 許雙英， 楊豪， 王納新， 等. 汽車常用材料氣味溯源及特征性氣味物質研究[J]. 塑料工業， 2019， 47（2）： 161-165.

[5] 韋彩虹. 基于電子鼻系統的混合氣體的定性分析和定量估計[D]. 杭州： 浙江大學， 2012.

[6] 王悠. 識別有機小分子的可視化傳感陣列構建及檢測性能研究[D]. 重慶： 重慶大學， 2019.

[7] Determination of the Odour Characteristics of Trim? ? ? ? Materials in Motor Vehicles： VDA 270 （05/2022）[S/OL]. （2022-05-01）[2023-10-24]. https：//webshop.vda.de/VDA/de/vda-270-052022.

[8] LU W， DONG X， QIU L， et al. Colorimetric Sensor Arrays Based on Pattern Recognition for the Detection of? ? ? ? ? ?Nitroaromatic Molecules[J]. Journal of Hazardous? ? ? ? ? Materials， 2017， 326： 130-137.